عازل (كهرباء)

العازل الكهربائي هو مادة لا يتدفق فيها التيار الكهربائي بحرية. تحتوي ذرات العازل على إلكترونات مرتبطة بإحكام ولا يمكنها التحرك بسهولة. المواد الأخرى - أشباه الموصلات والموصلات - توصل التيار الكهربائي بسهولة أكبر. الخاصية التي تميز العازل هي مقاومته الكهربائية ؛ تتمتع العوازل بمقاومة كهربائية أعلى من أشباه الموصلات أو الموصلات. الأمثلة الأكثر شيوعًا هي اللافلزات .

لا يوجد عازل مثالي لأن حتى العوازل تحتوي على أعداد صغيرة من الشحنات المتحركة ( حاملات الشحنة ) التي يمكنها حمل التيار. بالإضافة إلى ذلك، تصبح جميع العوازل موصلة للكهرباء عندما يتم تطبيق جهد كبير بما يكفي بحيث يمزق المجال الكهربائي الإلكترونات بعيدًا عن الذرات. يُعرف هذا بالانهيار الكهربائي ، ويُطلق على الجهد الذي يحدث عنده جهد انهيار العازل. بعض المواد مثل الزجاج والورق و PTFE ، والتي تتمتع بمقاومة عالية ، هي عوازل كهربائية جيدة جدًا. فئة أكبر بكثير من المواد، على الرغم من أنها قد تكون ذات مقاومة كتلة أقل، لا تزال جيدة بما يكفي لمنع تدفق تيار كبير عند الفولتات المستخدمة عادةً، وبالتالي يتم استخدامها كعازل للأسلاك والكابلات الكهربائية . تشمل الأمثلة البوليمرات الشبيهة بالمطاط ومعظم المواد البلاستيكية التي يمكن أن تكون صلبة بالحرارة أو بلاستيكية بالحرارة بطبيعتها.

تُستخدم العوازل في المعدات الكهربائية لدعم وفصل الموصلات الكهربائية دون السماح للتيار بالمرور عبرها. تُسمى المادة العازلة المستخدمة بكميات كبيرة لتغليف الكابلات الكهربائية أو المعدات الأخرى بالعزل . يُستخدم مصطلح العازل أيضًا بشكل أكثر تحديدًا للإشارة إلى الدعامات العازلة المستخدمة لربط خطوط توزيع أو نقل الطاقة الكهربائية بأعمدة المرافق وأبراج النقل . إنها تدعم وزن الأسلاك المعلقة دون السماح للتيار بالتدفق عبر البرج إلى الأرض.

فيزياء التوصيل في المواد الصلبة

العزل الكهربائي هو غياب التوصيل الكهربائي . تشرح نظرية النطاق الإلكتروني (فرع من الفيزياء) أن الشحنة الكهربائية تتدفق عندما تكون الحالات الكمومية للمادة متاحة حيث يمكن إثارة الإلكترونات. يسمح هذا للإلكترونات باكتساب الطاقة وبالتالي التحرك عبر موصل، مثل المعدن ، إذا تم تطبيق فرق الجهد الكهربائي على المادة. إذا لم تكن مثل هذه الحالات متاحة، فإن المادة تكون عازلة.

تحتوي معظم العوازل على فجوة نطاق كبيرة . يحدث هذا لأن نطاق "التكافؤ" الذي يحتوي على الإلكترونات ذات الطاقة الأعلى ممتلئ، وتفصل فجوة طاقة كبيرة هذا النطاق عن النطاق التالي فوقه. يوجد دائمًا بعض الجهد (يسمى جهد الانهيار ) الذي يمنح الإلكترونات طاقة كافية للإثارة في هذا النطاق. بمجرد تجاوز هذا الجهد، يحدث الانهيار الكهربائي، وتتوقف المادة عن كونها عازلة، وتمرر الشحنة. عادة ما يكون هذا مصحوبًا بتغيرات فيزيائية أو كيميائية تؤدي إلى تدهور المادة وخصائصها العازلة بشكل دائم.

عندما يتجاوز المجال الكهربائي المطبق عبر مادة عازلة في أي مكان مجال انهيار العتبة لتلك المادة، يصبح العازل فجأة موصلًا، مما يتسبب في زيادة كبيرة في التيار، وهو قوس كهربائي عبر المادة. يحدث الانهيار الكهربائي عندما يكون المجال الكهربائي في المادة قويًا بما يكفي لتسريع حاملات الشحنة الحرة (الإلكترونات والأيونات، والتي تكون موجودة دائمًا بتركيزات منخفضة) إلى سرعة عالية بما يكفي لطرد الإلكترونات من الذرات عندما تصطدم بها، مما يؤدي إلى تأين الذرات. تتسارع هذه الإلكترونات والأيونات المحررة بدورها وتصطدم بذرات أخرى، مما يؤدي إلى إنشاء المزيد من حاملات الشحنة، في تفاعل متسلسل . يمتلئ العازل بسرعة بحاملات شحنة متحركة، وتنخفض مقاومته إلى مستوى منخفض. في المادة الصلبة، يتناسب جهد الانهيار مع طاقة فجوة النطاق . عندما يحدث تفريغ الهالة ، يمكن للهواء في منطقة حول موصل عالي الجهد أن ينهار ويتأين دون زيادة كارثية في التيار. ومع ذلك، إذا امتدت منطقة انهيار الهواء إلى موصل آخر عند جهد مختلف، فإنها تخلق مسارًا موصلًا بينهما، ويتدفق تيار كبير عبر الهواء، مما يخلق قوسًا كهربائيًا . حتى الفراغ يمكن أن يعاني من نوع من الانهيار، ولكن في هذه الحالة، يتضمن الانهيار أو قوس الفراغ شحنات تنطلق من سطح الأقطاب الكهربائية المعدنية بدلاً من إنتاجها بواسطة الفراغ نفسه.

بالإضافة إلى ذلك، تصبح جميع العوازل موصلات عند درجات حرارة عالية جدًا حيث تكون الطاقة الحرارية للإلكترونات التكافؤية كافية لوضعها في نطاق التوصيل. ^[1]^[2]

في بعض المكثفات، يمكن أن تختفي الدوائر القصيرة بين الأقطاب الكهربائية المتكونة بسبب الانهيار العازل عندما يتم تقليل المجال الكهربائي المطبق. ^[3]^[4]^[5]^{[ ذات صلة؟ ]}

الاستخدامات

غالبًا ما يتم وضع طبقة مرنة من العازل على الأسلاك والكابلات الكهربائية؛ تسمى هذه المجموعة بالأسلاك المعزولة . في بعض الأحيان لا تستخدم الأسلاك طبقة عازلة، بل الهواء فقط، عندما يكون الطلاء الصلب (مثل البلاستيك) غير عملي. تنتج الأسلاك التي تلامس بعضها البعض وصلات متقاطعة ودوائر قصيرة ومخاطر نشوب حرائق. في الكابل المحوري، يجب دعم الموصل المركزي بدقة في منتصف الدرع المجوف لمنع انعكاسات الموجات الكهرومغناطيسية. يمكن أن تتسبب الأسلاك التي تتعرض لجهد كهربائي مرتفع في حدوث صدمة كهربائية ومخاطر الصعق الكهربائي .

تتمتع أغلب منتجات الأسلاك والكابلات المعزولة بتصنيفات قصوى للجهد ودرجة حرارة الموصل. وقد لا يتمتع المنتج بتصنيف للتيار الكهربائي ، حيث يعتمد هذا التصنيف على البيئة المحيطة (على سبيل المثال درجة الحرارة المحيطة).

في الأنظمة الإلكترونية، تُصنع لوحات الدوائر المطبوعة من البلاستيك الإيبوكسي والألياف الزجاجية. تدعم اللوحات غير الموصلة طبقات من موصلات رقائق النحاس. في الأجهزة الإلكترونية، يتم تضمين المكونات النشطة الدقيقة والدقيقة داخل بلاستيك الإيبوكسي أو الفينولي غير الموصل ، أو داخل الطلاء الزجاجي أو السيراميكي المخبوز.

في المكونات الإلكترونية الدقيقة مثل الترانزستورات والدوائر المتكاملة ، تكون مادة السيليكون موصلة بشكل طبيعي بسبب الشوائب، ولكن يمكن تحويلها بسهولة بشكل انتقائي إلى عازل جيد عن طريق تطبيق الحرارة والأكسجين. السيليكون المؤكسد هو الكوارتز ، أي ثاني أكسيد السيليكون ، المكون الأساسي للزجاج.

في أنظمة الجهد العالي التي تحتوي على محولات ومكثفات ، يعد زيت العازل السائل الطريقة النموذجية المستخدمة لمنع القوس الكهربائي. يحل الزيت محل الهواء في المساحات التي يجب أن تدعم جهدًا كبيرًا دون حدوث انهيار كهربائي . تشمل مواد عزل أنظمة الجهد العالي الأخرى حوامل الأسلاك الخزفية أو الزجاجية والغاز والفراغ ووضع الأسلاك ببساطة على مسافة كافية لاستخدام الهواء كعازل.

العزل في الأجهزة الكهربائية

كابل مغطى بالنحاس معزول بالمعادن ومغلف بالبولي فينيل كلوريد مع قلبين موصلين

إن أهم مادة عازلة هي الهواء. كما تستخدم مجموعة متنوعة من العوازل الصلبة والسائلة والغازية في الأجهزة الكهربائية. في المحولات الأصغر حجمًا والمولدات والمحركات الكهربائية ، يتكون العزل على ملفات الأسلاك من ما يصل إلى أربع طبقات رقيقة من فيلم الورنيش البوليمري. يسمح السلك المغناطيسي المعزول بالفيلم للشركة المصنعة بالحصول على أقصى عدد من الدورات ضمن المساحة المتاحة. غالبًا ما يتم لف اللفات التي تستخدم موصلات أكثر سمكًا بشريط عازل إضافي من الألياف الزجاجية . يمكن أيضًا تشريب اللفات بالورنيش العازل لمنع الهالة الكهربائية وتقليل اهتزاز الأسلاك المستحث مغناطيسيًا. لا تزال لفات المحولات ذات القدرة الكبيرة معزولة في الغالب بالورق والخشب والورنيش والزيت المعدني ؛ على الرغم من استخدام هذه المواد لأكثر من 100 عام، إلا أنها لا تزال توفر توازنًا جيدًا بين الاقتصاد والأداء الكافي. يمكن عزل قضبان التوصيل وقواطع الدائرة في معدات التبديل بعزل بلاستيكي مقوى بالزجاج، ومعالج بحيث يكون انتشار اللهب منخفضًا ولمنع تتبع التيار عبر المادة.

في الأجهزة القديمة التي تم تصنيعها حتى أوائل سبعينيات القرن العشرين، قد نجد ألواحًا مصنوعة من الأسبستوس المضغوط ؛ ورغم أن هذا يعد عازلًا مناسبًا عند ترددات الطاقة، فإن التعامل مع مادة الأسبستوس أو إصلاحها قد يؤدي إلى إطلاق ألياف خطيرة في الهواء ويجب القيام بذلك بحذر. تم استخدام الأسلاك المعزولة بالأسبستوس الملبد في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية والوعرة منذ عشرينيات القرن العشرين. تم بيع أسلاك من هذا النوع بواسطة شركة جنرال إلكتريك تحت الاسم التجاري "Deltabeston". ^[6]

كانت لوحات التوزيع ذات الواجهة الحية حتى أوائل القرن العشرين مصنوعة من الأردواز أو الرخام. تم تصميم بعض المعدات ذات الجهد العالي للعمل في غاز عازل عالي الضغط مثل سداسي فلوريد الكبريت . قد تكون مواد العزل التي تعمل بشكل جيد عند الطاقة والترددات المنخفضة غير مرضية عند الترددات الراديوية ، بسبب التسخين الناتج عن التبديد العازل المفرط.

يمكن عزل الأسلاك الكهربائية باستخدام البولي إيثيلين أو البولي إيثيلين المتشابك (إما من خلال معالجة حزمة الإلكترونات أو التشابك الكيميائي) أو البولي فينيل كلوريد أو الكابتون أو البوليمرات الشبيهة بالمطاط أو الورق المشبع بالزيت أو التفلون أو السيليكون أو رباعي فلورو إيثيلين الإيثيلين المعدل ( ETFE ). قد تستخدم كابلات الطاقة الأكبر حجمًا مسحوقًا غير عضوي مضغوطًا ، حسب التطبيق.

تُستخدم مواد عازلة مرنة مثل كلوريد البولي فينيل (PVC) لعزل الدائرة ومنع ملامسة الإنسان للأسلاك "الحية" - الأسلاك التي يبلغ جهدها 600 فولت أو أقل. ومن المرجح أن يزداد استخدام المواد البديلة بسبب تشريعات السلامة والبيئة في الاتحاد الأوروبي التي تجعل كلوريد البولي فينيل أقل اقتصادية.

في الأجهزة الكهربائية مثل المحركات والمولدات والمحولات، يتم استخدام أنظمة عزل مختلفة ، مصنفة حسب أقصى درجة حرارة تشغيل موصى بها لتحقيق عمر تشغيل مقبول. تتراوح المواد من أنواع مطورة من الورق إلى المركبات غير العضوية.

عزل الفئة الأولى والفئة الثانية

يتم عزل جميع الأجهزة الكهربائية المحمولة أو التي يتم حملها باليد لحماية مستخدمها من الصدمات الضارة.

تتطلب العزل من الفئة الأولى توصيل الجسم المعدني والأجزاء المعدنية المكشوفة الأخرى للجهاز بالأرض عبر سلك تأريض مؤرض في لوحة الخدمة الرئيسية - لكنه يحتاج فقط إلى عزل أساسي على الموصلات. يحتاج هذا الجهاز إلى دبوس إضافي في قابس الطاقة للاتصال بالأرض.

العزل من الدرجة الثانية يعني أن الجهاز معزول بشكل مزدوج . يستخدم هذا في بعض الأجهزة مثل ماكينات الحلاقة الكهربائية ومجففات الشعر والأدوات الكهربائية المحمولة. يتطلب العزل المزدوج أن تحتوي الأجهزة على عزل أساسي وتكميلي، ويكون كل منهما كافيًا لمنع الصدمات الكهربائية . جميع المكونات الداخلية التي تعمل بالطاقة الكهربائية محاطة بالكامل داخل جسم معزول يمنع أي اتصال بالأجزاء "الحية". في الاتحاد الأوروبي ، يتم تمييز جميع الأجهزة المعزولة بشكل مزدوج برمز مربعين، أحدهما داخل الآخر. ^[7]

عوازل التلغراف ونقل الطاقة

الموصلات المستخدمة في نقل الطاقة الكهربائية ذات الجهد العالي عبر الهواء تكون عارية، ومعزولة بالهواء المحيط. قد تحتوي الموصلات المستخدمة في التوزيع بجهد أقل على بعض العزل ولكنها غالبًا ما تكون عارية أيضًا. هناك حاجة إلى دعامات عازلة في النقاط التي تدعمها أعمدة المرافق أو أبراج النقل . هناك حاجة أيضًا إلى العوازل حيث يدخل السلك إلى المباني أو الأجهزة الكهربائية، مثل المحولات أو قواطع الدائرة ، للعزل عن العلبة. غالبًا ما تكون هذه البطانات عبارة عن عوازل مجوفة مع الموصل بداخلها.

مواد

العوازل المستخدمة لنقل الطاقة عالية الجهد مصنوعة من الزجاج أو البورسلين أو مواد البوليمر المركبة . العوازل الخزفية مصنوعة من الطين والياقوت (كربون مكعب الماس) ونتريد البورون والكوارتز أو الألومينا والفلسبار ، ومغطاة بطلاء ناعم للتخلص من الماء. تُستخدم العوازل المصنوعة من البورسلين الغني بالألومينا حيث تكون القوة الميكانيكية العالية معيارًا. يتمتع البورسلين بقوة عازلة تبلغ حوالي 4-10 كيلو فولت / مم. [ 8 ^] يتمتع الزجاج بقوة عازلة أعلى، ولكنه يجذب التكثيف والأشكال غير المنتظمة السميكة اللازمة للعوازل يصعب صبها بدون إجهادات داخلية. ^[9] توقف بعض مصنعي العوازل عن تصنيع العوازل الزجاجية في أواخر الستينيات، وتحولوا إلى المواد الخزفية.

تستخدم بعض المرافق الكهربائية مواد مركبة من البوليمر لبعض أنواع العوازل. تتكون هذه المواد عادةً من قضيب مركزي مصنوع من البلاستيك المقوى بالألياف وحاجز خارجي مصنوع من مطاط السيليكون أو مطاط إيثيلين بروبيلين ديين مونومر ( EPDM ). العوازل المركبة أقل تكلفة وأخف وزنًا ولها خصائص كارهة للماء ممتازة . هذا المزيج يجعلها مثالية للخدمة في المناطق الملوثة. ^[10] ومع ذلك، لا تتمتع هذه المواد بعد بعمر خدمة طويل الأمد مثبت مثل الزجاج والخزف.

خطوط الطاقة المدعومة بعوازل سيراميكية من النوع الدبوسي في كاليفورنيا ، الولايات المتحدة الأمريكية
عازل سيراميك 10 كيلو فولت، يظهر الحظائر

تصميم

يمكن أن يحدث الانهيار الكهربائي للعازل بسبب الجهد الزائد بإحدى طريقتين:

القوس الكهربائي هو انهيار وتوصيل لمادة العازل، مما يتسبب في حدوث قوس كهربائي عبر الجزء الداخلي من العازل. وعادة ما تتسبب الحرارة الناتجة عن القوس الكهربائي في إتلاف العازل بشكل لا يمكن إصلاحه. جهد الثقب هو الجهد عبر العازل (عند تركيبه بالطريقة العادية) الذي يتسبب في حدوث قوس كهربائي.
القوس الكهربائي الناتج عن الوميض هو انهيار وتوصيل الهواء حول أو على طول سطح العازل، مما يتسبب في حدوث قوس كهربائي على طول الجزء الخارجي من العازل. عادة ما يتم تصميم العوازل لتحمل الوميض الكهربائي دون حدوث أي ضرر. جهد الوميض الكهربائي هو الجهد الذي يتسبب في حدوث قوس كهربائي ناتج عن الوميض الكهربائي.

تم تصميم معظم العوازل ذات الجهد العالي بجهد وميض أقل من جهد الثقب، بحيث تومض قبل أن تثقب، لتجنب التلف.

الأوساخ والتلوث والملح، وخاصة الماء على سطح عازل الجهد العالي يمكن أن تخلق مسارًا موصلًا عبره، مما يتسبب في تيارات التسرب والوميض. يمكن تقليل جهد الوميض بأكثر من 50٪ عندما يكون العازل مبللاً. يتم تشكيل عوازل الجهد العالي للاستخدام الخارجي لتعظيم طول مسار التسرب على طول السطح من أحد الطرفين إلى الطرف الآخر، والذي يسمى طول الزحف، لتقليل تيارات التسرب هذه. ^[11] لتحقيق ذلك، يتم تشكيل السطح في سلسلة من التموجات أو أشكال الأقراص المتحدة المركز. تتضمن هذه عادةً حظائر واحدة أو أكثر ؛ أسطح على شكل كوب متجهة لأسفل تعمل كمظلات لضمان بقاء جزء من مسار التسرب السطحي أسفل "الكوب" جافًا في الطقس الرطب. تبلغ مسافات الزحف الدنيا 20-25 مم / كيلو فولت، ولكن يجب زيادتها في المناطق ذات التلوث العالي أو مناطق الملح البحري المحمولة جواً.

أنواع

عازل ثلاثي الطور يستخدم في خطوط التوزيع، وعادة ما يكون جهده 13.8 كيلو فولت من طور إلى طور. يتم تثبيت الخطوط في نمط ماسي، ويتم استخدام عوازل متعددة بين الأقطاب.

تتميز العوازل بالعديد من الفئات الشائعة:

العازل الدبوسي - يتم تثبيت العازل الدبوسي على دبوس مثبت على الذراع المتقاطع للقطب. يحتوي العازل على أخدود بالقرب من الأعلى أسفل التاج مباشرة. يمر الموصل عبر هذا الأخدود ويتم ربطه بالعازل بسلك مسخن من نفس مادة الموصل. تُستخدم العوازل الدبوسية لنقل وتوزيع إشارات الاتصالات والطاقة الكهربائية عند جهد يصل إلى 33 كيلو فولت. تميل العوازل المصممة للعمل بجهد يتراوح بين 33 كيلو فولت و69 كيلو فولت إلى أن تكون ضخمة وأصبحت غير اقتصادية.
عازل لاحق - نوع من العوازل في ثلاثينيات القرن العشرين، وهو أكثر إحكاما من العوازل الدبوسية التقليدية، وقد حل سريعا محل العديد من العوازل الدبوسية على خطوط تصل إلى 69 كيلو فولت وفي بعض التكوينات، ويمكن تصنيعه للتشغيل حتى 115 كيلو فولت.
العازل المعلق - بالنسبة للجهد الكهربائي الذي يزيد عن 33 كيلو فولت، من المعتاد استخدام العوازل المعلقة، والتي تتكون من عدد من الأقراص الزجاجية أو الخزفية المتصلة على التوالي بواسطة وصلات معدنية على شكل سلسلة. يتم تعليق الموصل عند الطرف السفلي من هذه السلسلة بينما يتم تثبيت الطرف العلوي على الذراع المتقاطع للبرج. يعتمد عدد وحدات الأقراص المستخدمة على الجهد الكهربائي.
عازل الانفعال - يتم استخدام عمود أو برج مسدود أو عمود تثبيت حيث ينتهي قسم مستقيم من الخط أو ينحرف في اتجاه آخر. يجب أن تتحمل هذه الأعمدة الشد الجانبي (الأفقي) للقسم المستقيم الطويل من السلك. لدعم هذا الحمل الجانبي، يتم استخدام عوازل الانفعال. بالنسبة لخطوط الجهد المنخفض (أقل من 11 كيلو فولت)، يتم استخدام عوازل القيد كعوازل انفعال. ومع ذلك، بالنسبة لخطوط نقل الجهد العالي، يتم استخدام سلاسل من العوازل ذات الغطاء والدبابيس (التعليق)، متصلة بالذراع المتقاطع في اتجاه أفقي. عندما يكون حمل الشد في الخطوط مرتفعًا للغاية، كما هو الحال في امتدادات الأنهار الطويلة، يتم استخدام سلسلتين أو أكثر بالتوازي.
العازل المقيد - في الأيام الأولى، كانت العوازل المقيد تستخدم كعوازل إجهاد. ولكن في الوقت الحاضر، تُستخدم بشكل متكرر في خطوط توزيع الجهد المنخفض. يمكن استخدام هذه العوازل إما في وضع أفقي أو في وضع رأسي. يمكن تثبيتها مباشرة على العمود بمسامير أو بذراع متقاطعة.
البطانة - تمكن موصل واحد أو أكثر من المرور عبر حاجز مثل جدار أو خزان، وتعزل الموصلات عنه. ^[12]
عازل خطي
عازل عمود المحطة
انقطاع

عازل الغمد

عازل يحمي طول القضيب الثالث الملامس للقاع بالكامل .

عوازل التعليق

العدد النموذجي لوحدات عازل القرص لجهد الخطوط القياسية ^[13]
جهد الخط (كيلو فولت)	الأقراص
34.5	3
69	4
115	6
138	8
161	11
230	14
287	15
345	18
360	23
400	24
500	34
600	44
750	59
765	60

العوازل من النوع الدبوسي غير مناسبة لجهد أكبر من حوالي 69 كيلو فولت من خط إلى خط. تستخدم خطوط النقل ذات الجهد العالي عادةً تصميمات عازل تعليق معيارية. يتم تعليق الأسلاك من "سلسلة" من العوازل المتطابقة على شكل قرص والتي تتصل ببعضها البعض باستخدام دبوس مشبك معدني أو وصلات كروية ومقبس. تتمثل ميزة هذا التصميم في أنه يمكن إنشاء سلاسل العوازل بجهد انهيار مختلف ، للاستخدام مع جهد خطوط مختلف، باستخدام أعداد مختلفة من الوحدات الأساسية. يمكن تصنيع عوازل السلسلة لأي جهد نقل عملي عن طريق إضافة عناصر عازلة إلى السلسلة. ^[14] أيضًا، إذا انكسرت إحدى وحدات العازل في السلسلة، فيمكن استبدالها دون التخلص من السلسلة بأكملها.

تتكون كل وحدة من قرص سيراميكي أو زجاجي مع غطاء معدني ودبوس مثبتين على الجانبين المتقابلين. ولجعل الوحدات المعيبة واضحة، تم تصميم الوحدات الزجاجية بحيث يتسبب الجهد الزائد في حدوث قوس ثقب عبر الزجاج بدلاً من الوميض. يتم معالجة الزجاج بالحرارة حتى يتحطم، مما يجعل الوحدة التالفة مرئية. ومع ذلك، فإن القوة الميكانيكية للوحدة لا تتغير، لذلك يظل خيط العازل متماسكًا.

يبلغ قطر وحدات عازل الأقراص المعلقة القياسية 25 سم (9.8 بوصة) وطولها 15 سم (6 بوصات)، ويمكنها دعم حمولة تتراوح بين 80-120 كيلو نيوتن (18000-27000 رطل ₎ ، ولها جهد وميض جاف يبلغ حوالي 72 كيلو فولت، ومصنفة بجهد تشغيل يتراوح بين 10-12 كيلو فولت. ^[15] ومع ذلك، فإن جهد وميض السلسلة أقل من مجموع أقراصها المكونة، لأن المجال الكهربائي لا يتم توزيعه بالتساوي عبر السلسلة ولكنه يكون أقوى عند القرص الأقرب إلى الموصل، والذي يومض أولاً. تُضاف أحيانًا حلقات تصنيف معدنية حول القرص عند نهاية الجهد العالي، لتقليل المجال الكهربائي عبر هذا القرص وتحسين جهد الوميض.

في خطوط الجهد العالي جدًا، قد يكون العازل محاطًا بحلقات إكليلية . ^[16] تتكون هذه الحلقات عادةً من حلقات من الألومنيوم (الأكثر شيوعًا) أو أنابيب نحاسية متصلة بالخط. وهي مصممة لتقليل المجال الكهربائي عند النقطة التي يكون فيها العازل متصلاً بالخط، لمنع تفريغ الإكليل ، مما يؤدي إلى فقدان الطاقة.

سلسلة عازلة للتعليق (سلسلة عمودية من الأقراص) على برج تعليق 275 كيلو فولت
وحدة عازلة قرصية زجاجية معلقة تستخدم في سلاسل العوازل المعلقة لخطوط نقل الجهد العالي

تاريخ

حصلت شركة Brookfield Glass Company على اعتراف واسع النطاق لإنتاجها الوفير من عوازل CD145، والمعروفة باسم عوازل "Beehive"، نظرًا لصناعتها الفائقة وتوزيعها على نطاق واسع.

كانت أول الأنظمة الكهربائية التي استخدمت العوازل هي خطوط التلغراف ؛ وقد وجد أن الالتصاق المباشر للأسلاك بالأعمدة الخشبية يعطي نتائج سيئة للغاية، وخاصة أثناء الطقس الرطب.

كانت أولى العوازل الزجاجية المستخدمة بكميات كبيرة تحتوي على ثقب صغير غير ملولب. وكانت هذه القطع الزجاجية توضع على دبوس خشبي مدبب، ويمتد رأسياً إلى أعلى من ذراع العمود (عادةً ما يكون هناك عازلان فقط لكل عمود وربما عازل واحد أعلى العمود نفسه). وكان الانكماش والتمدد الطبيعيان للأسلاك المربوطة بهذه "العوازل غير الملتوية" يؤديان إلى انفصال العوازل عن دبابيسها، الأمر الذي يتطلب إعادة تثبيتها يدوياً.

كانت الشركات في المملكة المتحدة من بين أوائل الشركات التي أنتجت العوازل الخزفية، حيث استخدمت شركتا Stiff and Doulton الخزف من منتصف أربعينيات القرن التاسع عشر، وأنتجها جوزيف بورن (الذي أعيدت تسميته لاحقًا إلى Denby ) منذ حوالي عام 1860، وأنتجت شركة Bullers منذ عام 1868. تم منح براءة اختراع المنفعة رقم 48906 إلى لويس أ. كوفيت في 25 يوليو 1865 لعملية إنتاج عوازل ذات ثقب دبوس ملولب: لا تزال العوازل ذات النوع الدبوسي تحتوي على ثقوب دبوس ملولبة.

لقد أتاح اختراع العوازل المعلقة إمكانية نقل الطاقة ذات الجهد العالي. ومع وصول جهد خطوط النقل إلى 60000 فولت وتجاوزه، أصبحت العوازل المطلوبة كبيرة وثقيلة للغاية، حيث أصبحت العوازل المصنوعة بهامش أمان يبلغ 88000 فولت هي الحد العملي للتصنيع والتركيب. ومن ناحية أخرى، يمكن توصيل العوازل المعلقة في سلاسل طالما أن جهد الخط مطلوب.

تم تصنيع مجموعة كبيرة ومتنوعة من عوازل الهاتف والتلغراف والطاقة؛ ويجمعها بعض الناس، سواء لأهميتها التاريخية أو للجودة الجمالية للعديد من تصميمات العوازل واللمسات النهائية. إحدى منظمات جمع العوازل هي الرابطة الوطنية الأمريكية للعوازل، التي تضم أكثر من 9000 عضو. ^[17]

عزل الهوائيات

غالبًا ما يتم بناء هوائي البث الإذاعي كمشع للصاري ، مما يعني أن هيكل الصاري بالكامل مزود بجهد عالي ويجب عزله عن الأرض. تُستخدم حوامل ستياتيت . يجب أن تتحمل ليس فقط جهد مشع الصاري إلى الأرض، والذي يمكن أن يصل إلى قيم تصل إلى 400 كيلو فولت في بعض الهوائيات، ولكن أيضًا وزن هيكل الصاري والقوى الديناميكية. تعد أبواق القوس الكهربائي وموانع الصواعق ضرورية لأن ضربات الصواعق على الصاري شائعة.

عادةً ما تحتوي أسلاك التثبيت التي تدعم أبراج الهوائيات على عوازل إجهاد مدمجة في مسار الكابل، وذلك لمنع الفولتية العالية على الهوائي من الوصول إلى الأرض أو التسبب في خطر الصدمة الكهربائية. غالبًا ما تحتوي كابلات التثبيت على عدة عوازل، توضع لتقسيم الكابل إلى أطوال تمنع الرنينات الكهربائية غير المرغوب فيها في القضيب. عادةً ما تكون هذه العوازل سيراميكية وأسطوانية أو على شكل بيضة (انظر الصورة). يتميز هذا البناء بأن السيراميك يكون تحت الضغط بدلاً من الشد، وبالتالي يمكنه تحمل حمولة أكبر، وأنه إذا انكسر العازل، تظل أطراف الكابل متصلة.

يجب أن تكون هذه العوازل مجهزة أيضًا بمعدات حماية من الجهد الزائد. بالنسبة لأبعاد عزل الرجل، يجب مراعاة الشحنات الساكنة على الرجال. بالنسبة للصواري العالية، يمكن أن تكون هذه الشحنات أعلى بكثير من الجهد الناتج عن جهاز الإرسال، مما يتطلب رجالًا مقسمين بواسطة العوازل في أقسام متعددة على الصواري الأعلى. في هذه الحالة، فإن الرجال الذين يتم تأريضهم في قبو المرساة عبر ملف - أو إذا أمكن، بشكل مباشر - هم الخيار الأفضل.

غالبًا ما يتعين إبعاد خطوط التغذية التي تربط الهوائيات بمعدات الراديو، وخاصة تلك التي تحتوي على سلكين ، عن الهياكل المعدنية. وتُسمى الدعامات المعزولة المستخدمة لهذا الغرض بالعوازل المتباعدة .

انظر أيضا

ستيفن جراي – عالم فيزياء إنجليزي
- موصل كهربائي
مادة عازلة
الموصلية الكهربائية

ملحوظات

^ SL Kakani (1 يناير 2005). نظرية وتطبيقات الإلكترونيات. مجلة العصر الجديد الدولية. ص 7. ISBN 978-81-224-1536-0.
^ Waygood, Adrian (19 June 2013). مقدمة في العلوم الكهربائية. Routledge . ص. 41. ISBN 978-1-135-07113-4.
^ كلاين، ن.؛ جافني، هـ. (1966). "أقصى قوة عازلة لأغشية أكسيد السيليكون الرقيقة". مجلة IEEE Trans. Electron Devices . 13 (2): 281. رمز Bibcode :1966ITED...13..281K. doi :10.1109/T-ED.1966.15681.
^ Inuishi, Y.; Powers, DA (1957). "الانهيار الكهربائي والتوصيل عبر أفلام Mylar". J. Appl. Phys . 58 (9): 1017–1022. Bibcode :1957JAP....28.1017I. doi :10.1063/1.1722899.
^ Belkin, A.; et., al. (2017). "Recovery of Alumina Nanocapacitors after High Voltage Breakdown". Scientific Reports . 7 (1): 932. Bibcode : 2017NatSR...7..932B. doi :10.1038/s41598-017-01007-9. PMC 5430567. PMID 28428625.
^ برنهارد، فرانك؛ برنهارد، فرانك هـ. (1921). الكتاب السنوي للكهرباء EMF. شركة النشر للتجارة الكهربائية، ص 822.
^ "فهم فئات عزل الأجهزة الكهربائية وفقًا لمعايير اللجنة الكهروتقنية الدولية: الأول والثاني والثالث". Fidus Power . 6 يوليو 2018. مؤرشف من الأصل في 17 فبراير 2020. تم الاسترجاع في 16 أكتوبر 2018 .
^ "عوازل البورسلين الكهربائية" (PDF) . ورقة مواصفات المنتج . Universal Clay Products, Ltd. مؤرشف من الأصل (PDF) في 2009-02-20 . تم الاسترجاع في 2008-10-19 .
^ كوتون، هـ. (1958). نقل وتوزيع الطاقة الكهربائية . لندن: مطبعة الجامعة الإنجليزية.تم نسخها على صفحة معلومات العازل الخاصة بـ AC Walker، استخدام العازل
^ هو، يي؛ ليو، كاي (2017). "تكنولوجيا الكشف عن خطوط النقل". تقنيات التفتيش والمراقبة لخطوط النقل باستخدام الاستشعار عن بعد : 205-279. doi :10.1016/B978-0-12-812644-8.00004-7. ISBN 978-0-12-812644-8. تتمتع العوازل المركبة بالقدرة على تحمل الرياح والأمطار وتتمتع بأداء جيد في التنظيف الذاتي تحت تأثير الرياح والأمطار، وبالتالي فهي تحتاج إلى فحص التلوث مرة واحدة فقط كل 4-5 سنوات، وتتطلب وقتًا أقل للإصلاح وانقطاع التيار الكهربائي.
^ Holtzhausen, JP "High Voltage Insulators" (PDF) . IDC Technologies. مؤرشف من الأصل (PDF) في 2014-05-14 . تم الاسترجاع في 2008-10-17 .
^ IEC 60137:2003. "البطانات المعزولة للجهد المتناوب فوق 1000 فولت." IEC، 2003.
^ Diesendorf, W. (1974). Insulation Coordination in High Voltage Power Systems . المملكة المتحدة: Butterworth & Co. ISBN 0-408-70464-0.أعيد طبعه على موقع Overvoltage and flashovers، موقع AC Walker's Insulator Information
^ دونالد ج. فينك، هـ. واين بيتي (محرر)، الدليل القياسي للمهندسين الكهربائيين، الطبعة الحادية عشرة ، ماكجرو هيل، 1978، ISBN 0-07-020974-X ، الصفحات 14-153، 14-154
^ جريجسبي، ليونارد ل. (2001). دليل هندسة الطاقة الكهربائية. الولايات المتحدة الأمريكية: مطبعة سي آر سي . رقم ISBN 0-8493-8578-4.
^ باكشي، م (2007). نقل وتوزيع الطاقة الكهربائية. المنشورات الفنية. رقم ISBN 978-81-8431-271-3.
^ "العوازل: الصفحة الرئيسية للجمعية الوطنية للعوازل". www.nia.org . تم الاسترجاع في 12 ديسمبر 2017 .

مراجع

تايلور، سو (مايو 2003). بولرز أوف ميلتون . كتب تشيرنت فالي. رقم ISBN 978-1-897949-96-2.
وظيفة حلقات التصنيف للعازل المركب
أيوش كيجريوال 12 يوليو 2024، ما هو أفضل عازل كهربائي - المطاط أم الزجاج أم البلاستيك أم السيراميك؟
م. شكيبة، ف.؛ م، س. عزيزي؛ م، تشو (أكتوبر 2022). "طريقة تعتمد على التعلم الانتقالي للكشف عن أعطال العوازل في خطوط النقل عالية الجهد عبر الصور الجوية: التمييز بين صور العوازل السليمة والمكسورة". مراجعة الذكاء الاصطناعي . 8 (4): 15-25. doi :10.1109/MSMC.2022.3198027. ISSN 2333-942X. S2CID 252999399.